作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

將低電流信號轉換為電壓輸出是廣泛應用的基本要求，特別是那些依靠傳感器轉換物理現象以進行測量、監控和檢測的應用。當這些信號可預測且穩定時，跨阻放大器 (TIA) 是一種相對簡單且可靠的解決方案，但工程師越來越需要一種具有精密放大功能的更復雜的選項，可以適應可變輸入電流或高動態范圍。

TIA 用于通過反饋電阻將輸入電流轉換為輸出電壓。它們提供了一種相對簡單且經濟高效的方式將小電流轉換為電壓信號。

這些設備廣泛用于將光、電荷或輻射等現象產生的電流轉換為可測量的電壓信號，這些電壓信號可以被放大和調節以進行信號處理和長距離傳輸。因此，它們廣泛應用于光纖通信、光和輻射傳感、粒子探測、光探測和測距 (LiDAR)、醫療設備以及利用低功耗傳感器的緊湊系統。

然而，大多數 TIA 以固定增益運行，無法適應波動或寬電流范圍，從而限制了它們在動態條件下的性能。當電流水平不在設計參數范圍內時，可能會導致信號失真、精度降低或性能受限。要使這些適應更多變化或動態的條件，需要修改硬件和額外的組件，從而增加了復雜性并增加了功耗。

可編程增益 TIA (PGTIA) 可以利用單個放大器來處理高靈敏度光學系統、精密分析儀器以及電化學和生物電信號檢測等應用中遇到的寬動態范圍。

與標準 TIA 不同，PGTIA 允許優化特定信號范圍的增益，最大化輸出信號強度，從而最大化整個系統的信噪比 (SNR)。這些組件可以動態改變增益以放大微弱信號并防止強信號使輸出飽和。

PGTIA 能夠適應不斷變化的信號條件并動態改變增益，適用于具有寬輸入動態范圍和高精度測量設備的應用。例如，PGTIA 可以動態適應測量可變反射光的 LiDAR 系統的信號電平。

單通道 PGTIA 與雙通道 PGTIA

單通道 PGTIA 非常適合依賴于從單點測量或檢測信號的應用，例如簡單的運動檢測器或條形碼掃描儀。但許多應用需要適應性更強的解決方案，以提供更高的精度、進一步降低電子噪聲、分析多個參數，并在快速發展的市場中提供卓越的處理和適應性。

雙通道 PGTIA 可以同時處理來自兩個獨立輸入源的信號，使設計人員能夠整合差分檢測、噪聲消除和多參數分析等功能。將雙放大器通道集成到一個緊湊的封裝中比采用單獨的單通道器件更具成本效益，并且可以減少對額外組件的需求。每個通道都可以針對不同的輸入范圍進行優化，為設計人員的應用提供更大的多功能性。

雙通道 PGTIA 的其他優點包括更高效的功耗、最大限度地減少組合分立元件可能產生的寄生效應以及減少所需的電路板空間。雙通道可用于多種應用設計目的，例如：

• 從獨立數據源同時獲取數據以提高效率
• 提供測量冗余以提高可靠性
• 從兩個信號實現比較測量

雖然雙通道 PGTIA 的單位成本可能比單通道替代品稍高，但組件數量的減少、裝配的簡化和質量控制的改進很可能足以抵消這一影響。

ADI 高度集成、緊湊的 PGTIA

[Analog Devices, Inc.] (ADI) 為需要精密 PGTIA 的應用提供緊湊、靈活的解決方案，例如光網絡設備、光電探測器接口和精密儀器。

ADA4351-2 （圖 1）是一款單片雙通道[PGTIA，采用 3 mm x 3 mm 引線框架芯片級封裝 (LFCSP)，無外露焊盤。每個通道都有兩個可選擇的反饋路徑，其中每個反饋路徑的增益由外部電阻器設置。

圖 1：ADI 的 ADA4351-2 PGTIA 提供單片雙通道選項，可在寬動態范圍內精確測量小電流。 （圖片來源：Analog Devices, Inc.）

ADA4351-2 可以滿足一系列依賴于高精度、靈敏度和適應性的應用的需求。其多功能性使其非常適合需要精確信號放大、高動態范圍和集成功能的應用，例如光通信、醫學成像、光譜學和科學儀器。其工作溫度范圍為-40°C至+125°C。

ADA4351-2 的緊湊設計和直接驅動模數轉換器的能力可以簡化系統架構、減少組件數量并增強可靠性。它可以直接驅動兩個 16 位精密 ADC（圖 2，其中所示之一），例如 ADI 的 AD4695 和[AD4696]，為開發人員提供用于精密電流測量應用的完整模擬前端。

圖 2：驅動 ADC（例如 ADI 的 AD4695/AD4696）的 1/2 ADA4351-2 原理圖。 （圖片來源：Analog Devices, Inc.）

ADA4351-2 提供不同的模擬和數字輸入，可以在雙極性電源下運行，以完成高性能模擬任務，同時保持與接地參考數字系統的無縫和低噪聲通信。數字電源提供了獨立于模擬電源范圍來控制開關邏輯的靈活性。

該解決方案簡化了混合信號環境的設計，因為 ADA4351-2 可以集成到需要高性能模擬處理的系統中，同時保持與低壓數字控制邏輯的兼容性。

其模擬電路可以使用單電源（2.7 V 至 5.5 V）或雙電源（±1.35 V 至±2.75 V），從而支持單向和雙向輸入信號。它可以直接驅動參考電壓高達 5.5 V 的 ADC。

數字輸入適用于 1.62 V 至 5.5 V 之間的電源，使其與 1.8 V、3.3 V 或 5 V 的常見邏輯電平兼容，具體取決于施加到數字電源引腳（DVSS 和 DVDD）的電壓。

每個增益設置的兩個集成、低截止泄漏專有開關以開爾文配置排列，以減少由于 CMOS 開關的非理想性而導致的不準確性。先進的開關技術使其成為許多應用的高效解決方案，與使用分立元件相比，PCB 占地面積顯著減少。

ADA4351-2 的增益帶寬積為 8.5 MHz，可處理高頻信號。用戶可編程增益可優化寬輸入電流范圍內的動態范圍。

ADA4351-2 原型設計和測試

ADI 的[EVAL-ADA4351-2EBZ] 評估板（圖 3）允許設計人員在轉向定制 PCB 設計之前使用 ADA4351-2 快速進行原型設計、測試和優化應用。

圖 3：EVAL-ADA4351-2EBZ 配備了關鍵組件，允許用戶使用 ADA4351-2 PGTIA 運行和評估應用程序。 （圖片來源：Analog Devices, Inc.）

該板支持光電二極管接口、增益選擇和其他應用的快速配置，使其成為開發用于光學、儀器和數據采集場景的精密模擬前端系統的實用工具。

它預先配置了演示 ADA4351-2 關鍵特性所需的組件，包括可編程跨阻增益、低噪聲操作和寬動態范圍。每個通道上都有一個未填充的光電二極管插槽，支持快速原型設計。

輸入和輸出處的開放式電阻器和電容器封裝允許安裝具有用戶定義的修改值的組件，例如低通濾波器 (LPF) 或分壓器。邊緣安裝的 SMA 連接器和測試點允許將測試設備直接連接到兩個通道的輸入和輸出以及增益開關控制引腳。

開發人員可以探索不同的配置，并使用自己的信號鏈組件（例如 ADC 或光學傳感器）測試放大器。

結論

借助 ADI 的 ADA4351-2 雙通道 PGTIA，開發人員可為各種光電二極管接口、光學、儀器儀表和數據采集應用實現更精確、更可靠的性能。利用其集成開關、可編程增益和卓越的噪聲性能，它為同時處理來自獨立輸入源的信號提供了高度適應性和高效的解決方案。
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審核編輯 黃宇